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東京大學(xué)教授荒川泰彥的研究小組宣布，利用具備3維（3D）構(gòu)造的光子晶體（Photonic Crystal）構(gòu)成的共振器成功地實(shí)現(xiàn)了激光振蕩。有關(guān)詳情已刊登在2010年12月19日的“Nature Photonics”在線版上。

光子晶體是一種可稱為“光學(xué)版”半導(dǎo)體的人工構(gòu)造體。普通半導(dǎo)體由10nm左右的原子列以及在其中運(yùn)動(dòng)的電子等構(gòu)成，與此不同，光子晶體則由人工方式按數(shù)百nm的間隔構(gòu)成的周期性構(gòu)造以及管線構(gòu)成。相當(dāng)于半導(dǎo)體的帶隙的結(jié)構(gòu)，在光子晶體中被稱為“光子帶隙（Photonic Band Gap，PBG）”。

此前，光子晶體以二維構(gòu)造光子晶體的研發(fā)為主體。此次，荒川的小組制作了3D光子晶體，并確認(rèn)其可封閉激光，并可實(shí)現(xiàn)激光振蕩。

制作得像塑料模型

荒川表示，此次的3D光子晶體“制作得像一個(gè)塑料模型”。具體來說，就像普通塑料模型一樣是從名為“澆口（Runner）”的框架上切下各部件（Parts）制作而成的，此次的3D光子晶體也是在澆口中制作二維部件，然后拆下這些二維部件，經(jīng)過搭建而成。

與普通塑料模型不同的是，上述部件極其微小，為約10μm見方、厚150nm。該小組通過“Micro Manipulation”電子顯微鏡進(jìn)行手工作業(yè)，使用了25枚部件搭建制作而成。由于這些操作要求有相當(dāng)高的手藝，因此，“1天制作1個(gè)已是竭盡全力了。而且，只有研究室的特定成員能夠完成該工作”（荒川）。目前的定位誤差為50nm。

3D光子晶體中心附近的各部件采用不具有周期構(gòu)造的缺陷共振器，而且，由InAs構(gòu)成的量子點(diǎn)在各部件上分3層進(jìn)行植入。

荒川的小組觀察到，當(dāng)向制成的3D光子晶體照射激發(fā)用激光時(shí)，只有波長(zhǎng)為1.2μm的光被封閉于其中。該小組透露，Q值約為4萬，半幅值為0.031nm，封閉時(shí)間為數(shù)十ps。該Q值“以3D光子晶體來說為世界最高值”（荒川）。

#p#分頁標(biāo)題#e#當(dāng)進(jìn)一步加強(qiáng)受激光之后，其以1.2μm的波長(zhǎng)產(chǎn)生振蕩，并變成激光。

在理論上性能比2D光子晶體更高

2D光子晶體方面，已有Q值超過100萬事例報(bào)告。然而，2D構(gòu)造中“可實(shí)現(xiàn)完全封閉的僅僅是光的TE（Transverse Electric）偏波，而TM（Transverse Magnetic）偏波只能利用全反射（來實(shí)現(xiàn)完全封閉）”（荒川）?；拇ū硎?，由于3D光子晶體理論上可封閉所有模式的光，因此，在原理上有可能實(shí)現(xiàn)大大超過2D光子晶體的封閉性能，例如Q＝1000萬以上。

作為應(yīng)用領(lǐng)域，“可能包括3維光波導(dǎo)等等。雖然實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)也許尚有待時(shí)日，但如果不斷提高制作精度，通過電流激發(fā)的激光振蕩估計(jì)也有望實(shí)現(xiàn)”（荒川）。